湖南工业大学计算机控制实验报告.docx

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湖南工业大学计算机控制实验报告

《计算机控制技术》

实验报告

学生姓名

刘宝雨

班级

测控1002班

学号

10401600244

电气与信息工程学院

2013年4月20日

实验一A/D、D/A转换实验

实验1.1A/D、D/A转换实验

（1）

1．实验线路原理图：

见图1—1

图1－1

CPU的DPCLK信号与ADC0809单元电路的CLOCK相连作为ADC0809的时钟信号。

ADC0809芯片输入选通地址码A、B、C为“1”状态，选通输入通道IN7。

通过电位器W41给A/D变换器输入-5V～+5V的模拟电压。

8253的2#口用于5ms定时输出OUT2信号启动A/D变换器。

由8255口A为输入方式。

A/D转换的数据通过A口采入计算机，送到显示器上显示，并由数据总线送到D/A变换器0832的输入端。

选用CPU的地址输入信号IOY0为片选信号（

），XIOW信号为写入信号（

），D/A变换器的口地址为00H。

调节W41即可改变输入电压，可从显示器上看A/D变换器对应输出的数码，同时这个数码也是D/A变换器的输入数码。

2．A/D、D/A转换程序流程：

（见图1—2）

对应下面的流程，我们已编好了程序放在CPU的监控中，可用U（反汇编）命令查看。

而且已将所有控制程序放在光盘中，供教师参考，当然对于学生来说，应让其自己编写调试。

图1－2

3．实验内容及步骤

（1）按图1—1接线。

用“短路块”分别将U1单元中的ST与+5V短接，U4单元中的X与+5V，Z与-5V短接。

其它画“●”的线需自行连接。

示波器的CH1通道接U15单元的OUT端，连接好后，接通电源。

（2）对U15D/A转换单元进行调零。

按下实验箱上的复位键，在调试窗口中出现“WELCOMETOYOU”后，输入如下（参照图1－3）：

A2000按“Enter”键

0000：

2000MOVAL，80按“Enter”键

0000：

2002OUT00，AL按“Enter”键

0000：

2004INT按“Enter”键

0000：

2005按“Enter”键

G=0000：

2000按“Enter”键

待输入完成后，用U16单元电压表毫伏档监测U15D/A转换单元OUT端电压，调节U15单元103电位器使电压表显示“00”。

图1－3

（3）将U4单元中W41输出调至-5V，执行监控中的程序（G=F000：

1100按“Enter”键）。

如果程序正确执行，将在显示器上显示“00”。

参见图1－4。

图1－4

（3）将W41依次调节，用U16交/直流数字电压表分别检测A/D的输入电压和D/A的输出电压。

观察显示器，记下相应的数码及D/A的输出模拟电压，填入下表1—1。

模拟输入电压（V）

显示器数码（H）

模拟输出电压（V）

-4.93

-3.85

-2.89

-1.94

-0.97

+0.91

0.91

+1.89

1.89

+2.88

2.88

+3.83

3.83

+4.80

4.80

4．按图1—5改接U4输出Y至U15A/D转换单元输入IN7的连接，即添加一个反向放大器，其它线路同图1—1。

图1-5

5．用U16交/直流数字电压表监测A/D的输入电压，在OV附近连续调节A/D的输入电压，观察整理化误差和量化单位。

6．测出A/D输入电压在OV附近±5个量化单位的数值，记录与之相对应的数字量，如表1—2所示：

表1—2

模入

电压（mV）

-196

-156.8

-117.6

-78.4

-39.2

39.2

78.4

117.6

156.8

196

数字量

（H）

AD转换的量化特性图，如图1—6所示：

图1-6

实验1.2A/D、D/A转换实验

（2）

1.实验线路原理图：

见图1—7

图1-7

设置8255为定时方式，OUT2信号为采样脉冲，采样周期5ms。

8255的A口为输入方式，用于采入数据。

8255的B口为输出方式，用于选择控制双路输入输出通道。

A/D转换单元可对多路模拟量进行转换，这里用6、7两路分别接入图1—8所示信号。

图1-8

计算机控制A/D变换器分时对这两路模拟信号进行A/D转换。

将转换的数字量送至D/A变换器还原成模拟量，并送至两个采样保持器。

由8255B口分别控制两个采样保持器的采样开关，以保证采样保持器单元电路中的OUT1输出信号与A/D转换单元U13的IN6输入信号一致；采样保持器单元电路的OUT2输出信号与A/D转换换单元U13的IN7输入信号一致。

2．程序流程：

见图1—9

图1－9

3．实验内容及步骤

（1）按图1—7接线，其中画“●”的线需自行连接。

将U1的信号选择开关S11放到斜波位置。

用短路块将U1的S与ST短接。

置S12为T3档，实验中调节W11电位器，改变信号周期。

调W12使输出信号不大于5V。

（2）执行程序（G=F000：

1151按“Enter”键）。

（3）本实验选择普通示波器，用示波器同时观察输入与输出信号。

如果程序正确执行，A/D转换单元U13的IN6输入信号应与U15DA/C单元中的采样保持输出OUT1信号一致，参见图1-8左图。

U13的IN7输入信号与U15单元中的采保持输出OUT2信号一致，参见图1-8右图。

（4）在U15DA/C转换单元的OUT端用示波器观察计算机分时控制的输出波形。

实验二采样与保持

实验2.1采样实验

1.实验线路原理图

（1）原理：

信号发生器U1单元的OUT端输出抛物线信号，通过A/D转换单元U13的IN7端输入。

计算机在采样时刻启动A/D转换器，转换得到数字量送至教学机8255口A，口A设成输入方式。

CPU将输入的数字量直接送到D/A转换单元U15，在U15单元的OUT端则输出相应的模拟信号。

如图2.1—1所示，在时间τ以外，计算机输出零至D/A并使其转换，所以τ以外输出为零。

τ的时间：

10ms

图2.1－1

（2）接线图：

见图2.1—2。

图2.1－2

（3）采样周期T的设置

计算机用8253产生定时中断信号，定时10ms，并在2F60H单元存放倍数Tk可取01H～FFH，采样周期T=Tk×10ms，所以T的范围为10ms～2550ms，改变Tk即可以确定T。

2．实验程序流程图：

见图2.1—3

图2.1－3

3．实验内容与步骤

（1）按图2.1—2连线，其中画“●”的线需自行连接。

首先将U1信号发生器单元中的S11置抛物线档，S12置T3档。

用短路块短接S与ST。

（2）用示波器观察U1单元的OUT端的波形，调W12使其不高于5V，调W11使T1周期约2s。

（3）选定Tk=04H，将2F60H单元存入Tk值。

在调试窗口输入：

E2F60，按“Enter”键，待调试窗口显示“0000：

2F60=CC—”从键盘输入04后，按“Enter”，即将Tk=04H存入2F60H单元。

见下图。

（4）启动采样程序（在调试窗口输入G=F000：

11A2按“Enter”键）。

（5）本实验选用普通示波器，用示波器对照观察U1单元的OUT端与U15单元的OUT端波形，观察完停机。

（6）选择若干Tk值（可取01H～FFH），重复（3）、（4）、（5），观察不同采样周期T时的输出波形。

（7）调节U1信号发生器单元的W11，使T1约0.3s，调W12使其不高于5V，重复步骤（3）、（4）、（5）。

上机实验结果如下图所示：

周期约等于两秒

T=04H时的采样波形如下：

T=07H时的采样波形如下：

T=FFH时的采样波形如下：

调节U1信号发生器单元的W11，使T1约0.3s，调W12使其不高于5V的输出波形如下所示：

T=04H时的输出波形如下：

T=70H时的输出波形如下：

T=FFH时的输出波形如下：

4．实验说明

通过3中的一些实验步骤，大家可明显地观察到，当Tk=01H～26H时，U15单元的OUT端的输出波形为IN7的采样波形，但当Tk再增大时，U15单元的OUT端的输出波形将采样失真。

从这看出，似乎采样周期T取得越小，对信号恢复越有利，一般来说，T必须满足tA/D+t处理≤T≤T香农/2，在此前提下，T越小越好（tA/D为A/D转换时间，t处理为计算机对信息进行处理所用的时间）。

有人又问，既然A/D采样本身具有保持功能，那是不是不管模拟量在A/D转换时变化多大，都可不加保持器呢？

不一定，因为A/D在采样时，对模拟量的变化频率有限制。

一般在十几Hz左右，如果信号变化太快，就会使采样信号失真，所以必须加采样保持器。

实验2.2保持实验

1．实验原理与线路

（1）原理

计算机（CPU）用8253定时，在采样时刻计算机给A/D器件启动信号，这时A/D器件（ADC0809）将模拟器转换成数字量并通过口A输入，计算机直接把这些数字量输出给D/A器件，D/A器件（DAC0832）则输出相应的模拟量，并且一直保持到输入新值。

原理如图2.2—1，采样周期设置同实验2.1。

图2.2－1

无零阶保持器的模拟原理图见图2.2—2。

开关τ合上的时间为10ms。

采样周期同实验2.1。

图2.2－2

（2）实验接线图：

见图2.2—3

R为输入，C为输出。

U15单元的OUT端为IN7端的离散化信号。

图2.2－3

2．实验程序流程：

见图2.1—3

3．实验内容与步骤

（1）按图2.2—3接线，S11置方波档，S12置T3档，调W12使U1单元的OUT端输出为1V方波，调W11使输出信号周期为5S。

（2）选Tk为02H，将2F60H单元存入Tk值，见下图。

（3）在调试窗口，启动采样保持程序（G=F000：

11E5按“Enter”键）。

本实验选用普通示波器，用示波器对照观察U13单元的IN7与U15单元OUT端波形，停机。

（4）更换Tk，重复

（2）、（3）步骤。

（5）增大Tk，存入2F60H单元，启动采样保持程序，观察输出C点波形，停机。

重复几次，直至系统不稳定，记下Tk值，并换算出相应的采样周期T，将实验结果填入表2.2—1中。

表2.2—1（T=Tk×10ms）

Tk（H）

采样周期T（s）

T=Tk×10ms

0.02

稳定

0.04

稳定

0.08

稳定

0.1

振荡

说明：

当Tk=02H时，启动采样程序，此时无零阶保持器，系统的输出波形将失真，因为在计算机控制系统中若无零阶保持器将导致控制不稳定，即在采样点间短暂失控，系统输出波形将失真。

（5）在已填入表2.2—1中选取一个Tk值（不要选为01H），Tk存入2F60H单元，启动采样程序（G=F000：

11A2），观察无零阶保持器系统C点的输出波形。

（6）减小输入信号幅度，增大采样周期，重复

（2）、（3）步骤，观察离散化噪音及系统的输出。

再将S11拔至斜波，抛物线档，作进一步观察。

上机实验演示如下图所示：

T=02H时输出波形如下（发生失真）：

将T调节为70H时的输出波形如下：

实验三积分分离PID控制实验

1.实验原理及线路简介

（1）原理

如图4—1，R为输入，C为输出，计算机不断采入误差E，进行积分判别与PID运算，然后判结果是否溢出（若溢出则取最大或最小值），最后将控制量输送给系统。

图3－1

（2）运算原理

PID控制规律为：

U（t）=Kp[e（t）+

]。

e（t）控制器输入；U（t）为控制器输出。

用矩阵法算积分，用向后差分代替微分，采样周期为T，算法为：

U（K）=Kp{E（K）+

[E（K）-E（K-1）]}

=Kp·E（K）+

[E（K）-E（K-1）]

简记为：

Uκ=P·Eκ+I

+D·（Eκ-Eκ-1）

P、I、D范围为：

-0.9999～+0.9999，计算机分别用相邻三个字节存储其BCD码。

最低字节存符号，00H为正，01H为负。

中间字节存前2位小数，最高字节存末2位小数。

例有系数P为0.1234，I为0.04秒，D为0，则内存为表4-1所示。

地址内容

低字节0002H00H

中间字节P0003H12H

高字节0004H34H

0005H00H

I0006H04H

0007H00H

0008H00H

D0009H00H

000AH00H

表3—1

计算机存有初始化程序，把十进制小数转换成二进制小数，每个小数用两个字节表示。

在控制计算程序中按定点小数进行补码运算，对运算结果设有溢出处理。

当运算结果超出00H或FFH时则用极值00H或FFH作为计算机控制输出，在相应的内存中也存入极值00H与FFH。

积分项运算也设有溢出处理，当积分运算溢出时控制量输出取极值，相应内存中也存入极值。

计算机还用2F00H内存单元所存的值数作为积分运算判定值EI，误差E有绝对值小于EI时积分，大时不积分。

EI的取值范围：

00H～7FH。

控制量Uκ输出至D/A，范围：

00H～FFH，对应—5V～+4.96V，误差EI模入范围与此相同。

（3）整定调节参数与系统开环增益

可用临界比例法整定参数。

设采样周期为50ms，先去掉微分与积分作用，只保留比例控制，增大Kp，直至系统等幅振，记者证下振荡周期Tu和振荡时所用比例值Kpu，按以下公式整定参数。

①只用比例调节

Kp=0.5Kpu（P=Kp=0.5Kpu）

②用比例、积分调节（T取

Tu）

比例Kp=0.36Kpu（即P=Kp=0.36Kpu）

积分时间TI=1.05Tu（即I=

=0.07Kpu）

③用比例、积分、微分调节（T取

Tu）

比例Kp=0.27Kpu（即P=Kp=0.27Kpu）

积分时间TI=0.4Tu（即I=

=0.11Kpu）

微分时间TD=0.22Tu（即D=

=0.36Kpu）

PID系数不可过小，因为这会使计算机控制输出也较小，从而使系统量化误差变大，甚至有时控制器根本无输出而形成死区。

这时可将模拟电路开环增益适当减小，而使PID系数变大。

例：

PID三个系数都小于0.2，模拟电路开环增益可变为K/5，PID系数则都相应增大5倍。

另一方面PID系数不可等于1，所以整个系统功率增益补偿是由模拟电路实现。

例如若想取P=5.3，可取0.5300送入，模拟电路开环增益亦相应增大10倍。

（4）接线与线路原理

8253的OUT2定时输出OUT2信号，经单稳整形，正脉冲打开采样保持器的采样开关，负脉冲启动A/D转换器。

系统误差信号E→U14、IN；U14、OUT→U13、IN7：

采样保持器对系统误差信号进行采样，将采样信号保持并输出给A/D第7路输入端IN7。

计算溢出显示部分：

图4—2虚框内。

当计算控制量的结果溢出时，计算机并口B的PB17输出高电平，只要有一次以上溢出便显示。

这部分线路只为观察溢出而设，可以不接，对于控制没有影响。

（5）采样周期T

计算机8253产生定时信号，定时10ms，采样周期T为：

T=Tκ×10ms

Tκ事先送入2F60H单元，范围是01H～FFH，则采样周期T的范围为10ms～2550ms。

按Tu计算出的T如果不是10ms的整数倍，可以取相近的Tκ。

2．实验程序流程：

见图4—3主程序

PID位置算法A口中断程序

3．实验内容与步骤

（1）按图4-2接线，用短路块将S与ST短接，S11置方波档，S12置T3档，调W11使信号周期为5S，调W12使信号约为3V。

按下实验箱CPU单元的复位键，从菜单栏选择“装入程序”，程序存放路径为：

安装目录盘（如C盘）：

\Teamkit\TKKL\TH4-1.EXE，如下图

选择指定程序后，会提示装入程序地址的段地址、偏移量。

确定装入程序的段地址和偏移量后，会显示装入程序的进度，直到出现“完成”提示，即程序装载完成。

可用U命令查看反汇编程序与数据,在调试窗口键入（U0000:

2000按“Enter”键）。

用D命令查看程序数据段段地址为0240后的数据，在调试窗口键入（D0240:

0000按“Enter”键）。

如下图

在TK（0240：

0000）、EI（0240：

0001）、KP、KI、KD（其中取KI=KD=0）的相应地址中存入表4-2中的数据，P、I、D系数的内存地址和存入方法参见表4-1的举例。

注：

用E命令编辑指定单元中的数据，在调试窗口输入E0240：

0000按“Enter”键，进入修改数据状态。

输入数据后可通过“空格”键使地址向高地址方向移动，而“-”键使地址向低地址方向移动。

修改完后直接按“Enter”键退出E命令状态。

选用普通示波器，在调试窗口启动程序（G=0000:

2000按“Enter”键），启动PID位置式算法程序，调电位器R可改变输出波形,用示波器观察输出。

（2）选不同的KP，直到等幅振荡，记下TU和KPU，TU填入表4—2上部。

（或KP取0.99仍不振荡则应增大采样周期或增大模拟电路增益，增大增益可调整图4—2中电位器R）

（3）根据临界比例法计算P、I、D三参数，修改KP、KI、KD（若系数过大过小可配合改变模拟电路增益），积分分离值EI取7FH存入2F00H单元，启动程序（G=0000:

2000），用示波器测出MP、tS。

（4）改变积分分离值EI，启动程序（G=0000:

2000），对照输入观察输出C，看MP、tS有无改善，并记录MP、tS。

（5）根据P、I、D三个系数的不同的控制作用，适当加以调整，同时可配合改变EI值，重新存入，启动程序（G=0000:

2000），对照输入观察输出，记录MP、tS。

按上述方法重复做几次，直到使MP＜20%，tS＜1S，在表3—2中填入此时的各参数和结果。

（6）用表3—2中的最佳PID参数，但积分分离值改为7FH并存入，在输入信号R为零时启动程序，将参数和结果填入表4—2中。

TK=05HKPU=0.905TU=0.5S

表3—2

参数

项目

I用临界比例法整定参数

0.2443

0.0996

0.324

80%

II用I栏PID参数，但EI修改

0.2443

0.0996

0.324

40%

III较佳的PID控制参数

0.2243

0.0496

0.424

10%

0.9S

IV用II栏PID参数，EI为7F

0.2243

0.0496

0.424

40%

1.5S

依照实验示波器的输出如下图所示：

图1、

图2、

图3、

图4、

实验四最小拍控制系统

1.实验原理与线路图

（1）原理

见图5.1—1。

R为输入，C为输出，计算机对误差E定时采样按D（Z）计算输出控制量U（Z）。

图中K=5。

图4.1－1

针对阶跃输入进行计算机控制算法D（Z）设计。

（2）D（Z）算法

采样周期T=1S，E（Z）为计算机输入，U（Z）为输出，有：

D（Z）=

式中Ki与Pi取值范围：

-0.9999～0.9999，计算机分别用相邻三个字节存储其BCD码。

最低字节符号，00H为正，01H为负。

中间字节存前2位小数，最高字节存末2位小数。

例有系数0.1234，则内存为：

地址内容

2F00H00H

2F01H12H

2F02H34H

系数存储安排如表5.1—1。

表5.1—1

0101H010DH

0102HK0010EHP1

0103H010FH

0104H0110H

0105HK10111HP2

0106H0112H

0107H0113H

0108HK20114HP3

0109H0115H

010AH

010BHK3

010CH

将D（Z）式写成差分方程，则有：

UK=K0EK+K1EK-1+K2EK-2+K3EK-3-P1UK-1-P2UK-2-P3UK-3

式中EK～EK-3，误差输入；UK～UK-3，计算机输出。

计算机运算溢出处理，当计算机控制输出超过00H～FFH时（对应于模拟量-5V～+5V），则计算机输出相应的极值00H或FFH，同时在相应的内存单元也存入极值。

（3）模拟电路的参数整定

被控对象有模拟电路，电路中所接电阻、电容参数有一定误差，所以应加以整定，可先整定惯性环节，再整定积分环节，应使二者串联时尽量接近所给传递函数。

整定方法参见注1。

（4）接线（如图5.1—2所示）

82532#输出OUT2信号，经单稳整形，正脉冲打开采样保持器的采样开关，负脉冲启动A/D变换器。

系统误差信号E→U4、IN2、U14、OUT2→U15、IN7：

采样保持器对系统误差信号进行采样，将采样信号保持并输出给A/D第7路输入端。

计算溢出显示部分：

图5.1—2虚框内。

当计算控制量的结果溢出时，计算机给口B的PB17输出高电平，只要有一次以上溢出便显示。

这部分线路只为观察溢出而设，可以不接，对于控制没有影响。

图4.1-2

（5）采样周期T

CPU的8253产生定时信号，定时10ms，采样周期T为：

T=TK×10ms

TK需事先送入2F60H单元，取值范围：

01H～FFH，对应的范围：

10ms～2550ms。

例如当T=1S，有：

TK=

=100=64H

1.实验程序流程见图5.1—3

A口中断程序

图4.1—3

3.实验内容与步骤

（1）按图5.1—2连线，S11置方波档，S12置下档，调W12使U1单元的OUT端输出为2.5V的方波，调W11约为6S。

装入程序TH5-1.EXE后，可分别用U命令、D命令查看反汇编程序与数据。

用E命令编辑、修改指定单元中的数据，0100F单元存入64H。

具体过程可参照实验四的修改方法。

（2）按要求计算D（E）各系数，送入内存0101H～0115H单元，见上图。

具体推导过程见有关计算控制技术教材。

（其中，K0＝0.5434、K1＝-0.7434、K2＝0.2000、K3＝0、P1＝-0.2826、P2＝-0.7174、P3＝0），Ki与Pi系数存储地址参见表5.1—1。

（3）选用普通示波器，用示波器观察输入R波形，在输入R为零时启动最小拍程序（G=F000:

15E6按“Enter”键），对照阶跃输出R观察输出C，应有以下波形（见图5.1—4），输出经过一拍后，在采样点上跟踪输入误差输出为：

E（Z）=Φe（Z）R（Z）=（1-Z-1）·

即一拍后进行跟踪，偏差保持为零。

而从控制量的输出

Y（Z）=D（Z）E（Z）

=2.5×

=1.3590-1.4744Z-1+1.0571Z-2-0.7580Z-3+0.5435Z-4-0.3897Z-5

可见，控制量在一拍后并未进入稳态（常数为零

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